ВАКУУМНАЯ ПЕЧЬ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДА КАЛЬЦИЯ

Основная масса производимого в мире кальция приходится на Китай (70%) [3], где эксплуатируются установки малой единичной производительности, позволяющие вести процесс при температурах не выше 12000С. Продолжительность процесса – не менее 24 часов. Нагрев таких ретортных установок осуществляется с помощью газогенераторов или угольной пыли; при их эксплуатации существуют экологические проблемы, и что еще более важно - такого рода установки взрывоопасны.

Технология алюминотермического восстановления оксида кальция, применяемая в США и до недавнего времени во Франции [4-6], при которой нагрев ведется не в ретортных вакуумных печах, а в печах с герметичным охлаждаемым водой корпусом, во-первых, ориентирована на работу с оксидом кальция высочайшего качества, а, во-вторых, не обеспечивает "приближения" к максимально возможному выходу кальция. Соответственно, воспроизведение такой технологии не позволяет получать конкурентоспособный кальций.

Как известно, для алюминотермического восстановления оксида кальция следующей после стоимости сырья статьей расхода является стоимость электроэнергии (около 18%).

Энергетические затраты в печи могут быть разделены на две составляющие: постоянные, связанные с необходимостью нагрева шихты и контейнера от комнатной температуры до температуры восстановления, а также затраты на проведение эндотермической реакции восстановления и последующего испарения кальция, и переменные, зависящие от качества конструкторской проработки печи. Производительность печи определяется временем нагрева, выдержки и охлаждения шихты, а также наработкой печи на отказ.

Испытания вакуумной печи ВД-300-16 конструкции фирмы "Вак ЭТО" [1] на ОАО "Машиностроительный завод" показали, что относительно низкая стойкость нагревателя обусловлена высоким уровнем (до 15 масс.%) загрязнением шихты карбонатом кальция, и, как следствие, взаимодействием выделяющегося при нагреве диоксида углерода с углеродным материалом нагревателя. Например, откачка лабораторной печи с помощью насоса 2НВР-60Д с быстротой откачки 60 м3/час (Рисунок 1) с массой шихты всего около 100 г. брикетов (содержание оксида кальция ~72 % масс.) при металлотермическом восстановлении не позволила полностью "компенсировать" газовыделения даже при использовании оксида кальция с содержанием карбоната кальция 2% (масс.). Для компенсации газовыделения увеличение производительности вакуумной системы должно быть чрезвычайно значительным.

Отсюда, вероятно, можно сделать вывод о необходимости разделения низкотемпературного и высокотемпературного нагревов: первый из них целесообразно проводить в вакуумной печи ретортного типа, а второй – в вакуумной печи с охлаждаемыми водой стенками корпуса. При этом в высокотемпературной печи должен быть предусмотрен конструктив, обеспечивающий съем конденсата кальция без ее разгерметизации.

Конструкции высокопроизводительных вакуумных печей непрерывного действия для получения щелочных и щелочноземельных металлов подробно рассмотрены в монографии А.С. Микулинского [2]. Несмотря на разнообразие приведенных печей, они, тем не менее, не могут быть применены для металлотермического восстановления оксида кальция, вследствие возникновения существенных заложенных в них ограничений. Остановимся на основных проблемах, не позволяющих использовать конструкции А.С. Микулинского.

Вне зависимости от типа приведенных конструкций [2], ни в одной из них не реализован предварительный нагрев шихты в загрузочной камере. Между тем, именно такой подход позволил бы исключить недостатки ретортной печи и печи с холодными стенками, сохранив их преимущества.

Применяемый в конструкциях жидкий затвор, вследствие взаимной растворимости расплава и корпуса затвора, требует систематического повышения температуры, так как в результате растворения повышается температура ликвидуса системы; повышение же температуры приводит к интенсификации растворения.

В приведенных конструкциях не рассматривается важнейший компонент работы печи непрерывного действия – удаление твердого конденсата с поверхности охлаждаемого водой конденсатора без остановки печи.

Преодоление этих затруднений потребовало разработки новой конструкции. Создаваемая вакуумная печь непрерывного действия состоит из следующих элементов:

·   камера предварительного нагрева – ретортная печь, в  которой происходит  предварительный нагрев шихты и дегазация;

·   камера восстановления и  дистилляции –  печь с охлаждаемыми водой стенками корпуса, в которой происходит восстановление оксида кальция, испарение кальция на охлаждаемый водой конденсатор;

· система съема конденсата;

· камера выгрузки конденсата;

· камера выгрузки отработанной шихты;

· обычные системы вакуумных печей (вакуумная, водяная, силовая, пневматическая, управления);

·   внутрипечные механизмы перемещения контейнера с шихтой (садки). На Рисунке 2 показана схема разработанной печи.

Обозначения на Рисунке 2.: 1 – камера восстановления оксида и испарения кальция; 2 – камера загрузки шихты в контейнере; 3 – камера разгрузки отработанной шихты; 4 – вакуумный затвор с водяным охлаждением; 5,8 – вакуумные затворы; 6 – охлаждаемый водой конденсатор для осаждения кальция; 7 – камера для загрузки-выгрузки бункера 9 для приема конденсата (кальция); 10,11 – промежуточные камеры перемещения контейнера с шихтой; 12 – подвижная футеровка; 13 - нагревательный блок камеры восстановления оксида и испарения кальция; 14 - рабочий стол с подвижной торцевой теплоизоляцией; 15 – резец для снятия конденсата с поверхности конденсатора; 16  – направляющая воронка; 17  – шток перемещения рабочего стола с подвижной теплоизоляцией; 18 – шток перемещения контейнера с шихтой из камеры загрузки в промежуточную камеру; 19 – шток перемещения контейнера с шихтой из промежуточной камеры на рабочий стол; 20 – шток перемещения контейнера с отработанной шихтой из промежуточной камеры в камеру разгрузки отработанной шихты; 21 - таскатель для перемещения контейнера из камеры восстановления оксида и испарения кальция в промежуточную камеру; 22 – захват для перемещения бункера; 23,24 – регулирующая и запасная регулирующая термопары.

 Вакуумная система позволяет осуществлять независимую откачку всех камер. Вакуумная схема представлена на Рисунке 3.

 

Печь работает следующим образом (исходное положение – во всех камерах – вакуум; все клапаны – закрыты; откачные средства отключены). Включают вакуумные насосы NL1 и NLF (рис.2. и 3.) и открывают клапаны VP0 и VP1, соответственно. В полости водяного охлаждения подают воду. Включают нагрев камеры 1 (корпус камеры – сталь 12Х18Н10Т, охлаждение корпуса водяное, нагревательный блок – углерод – углеродный композиционный материал различной плотности, термопары 23 – 24 – ТВР тип А по ГОСТ Р 8.585 – 2001 в алундовом чехле) и нагрев камеры 2 (материал реторты – сталь 12Х18Н10Т, нагреватель – сплав сопротивления, теплоизоляция – боковая и нижняя – фетр муллито-кремнеземистый МКРФ-100, верхняя – подвижная – сэндвич, состоящий из листов стали 12Х18Н10Т, между которыми размещен фетр МКРФ-100; термопара ТХА тип К или ТНН тип N по ГОСТ 8.585 – 2001). Когда температура в камере 2 достигнет 600 – 700 0С, закрывают клапан VP1, открывают клапан VП1 и напускают воздух в реторту. Открывают загрузочную крышку и устанавливают графитовый контейнер с шихтой в виде прессованных брикетов, состоящих из оксида кальция и восстановителя. Закрывают загрузочную крышку и клапан VП1, открывают клапан VP1 и проводят нагрев контейнера с шихтой до температуры 600 - 700 0С до того момента, когда произойдет снижение остаточного давления в камере 2 до уровня 0,3 кПа (но не менее 60 мин.). Закрывают клапан VP1, открывают клапан VP2 и проводят откачку до давления 1 – 10 Па. Когда в камере 1 температура достигает заданного значения, открывают затвор 4, отводят подвижную теплоизоляцию 12 и штоком 18 перемещают контейнер с шихтой на рельсы (графит) камеры 10. В исходное положение возвращаются шток 18, теплоизоляция 12 и затвор 4. Закрывают клапан VP1, открывают клапан VП1. Штоком 17 опускают рабочий стол с подвижной теплоизоляцией 14 в нижнее положение. Штоком 19 перемещают по рельсам контейнер с шихтой на рабочий стол 14. Поднимают штоком 17 стол в верхнее, рабочее, положение. Шток 19 возвращается в исходное положение – камера 2 готова к следующей загрузке.

Включают регулируемый привод конденсатора 6 (материал конденсатора – сталь 12Х18Н10Т). Поворот конденсатора осуществляется по мере заполнения его поверхности, обращенной к паропроводу (к тиглю). Съем конденсата осуществляется резцом 15, изготовленным из стали 30…40Х13. Для исключения разупрочнения резца его помещают в холодную (не выше 240-300 0С – температура отпуска закаленной стали) зону печи.

После заполнения бункера 9 и откачки камеры 7 открывают затвор 8 для перемещения бункера в камеру загрузки – выгрузки бункера 7. Закрывают затвор 8, напускают в камеру 7 инертный газ, извлекают бункер и устанавливают новый через боксовую камеру. Проводят откачку камеры 7, открывают затвор 8 и располагают бункер в рабочем положении (перемещения бункера проводят при отключенном приводе поворота конденсатора).

После завершения восстановления – дистилляции контейнер с отработанной шихтой, стоящей на рабочем столе 14, штоком 17 опускают в нижнее положение и с помощью толкателя 21 устанавливают у камеры разгрузки отработанной шихты 3. Откачивают эту камеру, открывают затвор 5 и с помощью штока 20 перемещают контейнер в эту камеру. Закрывают затвор 5, напускают в камеру 3 воздух, открывают загрузочную крышку и извлекают контейнер с отработанной шихтой.

Все процессы повторяются. Поскольку алгоритм легко формализовать, работой печи может управлять компьютер.

В печи непрерывного действия отсутствуют затраты электроэнергии на прогрев футеровки  в камере восстановления и испарения кальция.

Таким образом, применение печи непрерывного действия позволяет повысить надежность нагревательного блока и существенно сократить расход электроэнергии.

В результате выполнения работы предложена принципиальная схема вакуумной установки непрерывного действия для металлотермического восстановления оксида кальция. Установка позволяет осуществлять низкотемпературный нагрев в печи ретортного  типа, герметично  отделенной от высокотемпературной печи восстановления. Такой подход позволяет минимизировать требования к качеству исходного оксида кальция (по содержанию гидрооксида и карбоната кальция).

 

Список литературы

1.     Буданов Р.Е., Минков О.Б., Молев Г.В., Русанюк В.Н., Сухарев А.В. Опытно-промышленные испытания алюминотермического получения кальция на новых высокотемпературных установках// Цветные металлы, 2009, №1, с.54-58.

2.     Микулинским А.С. Вакуумные электрические печи для получения щелочных и щелочноземельных металлов, М.-Л. Госэнергоиздат, 1962, 96 с.

3.     Обзор рынка кальция металлического в России и мире. http://www.infomine.ru. август 2011 г. – 102 с.

4.     Pat. 2,464,767 USA Cl.75-67 Production of calcium. Заявлено 15.10.1945, опубл. 15.03.49.

5.     Pat. 2775484 France, IC C22 B5/04; C22B5/16; C22B26/20; C22B26/00. Calcium is produced rapidly with excellent yield at reduced energy costs. Опубл. 03.09.99.

6.     Pat. 9802649 France, IC C 22 B26/20. Procede de fabrication de calcium, en four cylindriquea axe horizontal, mobile verticalement, avec creuseten graphite chauffe par induction. Заявлено 27.02.98, опубл. 03.09.99.